DE102011075519A1 - Method for determining mass flow rate of e.g. gas in main pipe, involves determining value of thermal characteristics of medium, so that flow rate value is determined based on amplitudes under consideration of thermal characteristics value - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Bestimmen des Massedurchflusses eines Mediums in einer Leitung.The present invention relates to a method and apparatus for thermally determining the mass flow of a medium in a conduit.
Die thermische Durchflussmessung ist als zuverlässiges Messverfahren etabliert, wobei es jedoch erforderlich ist, die Messumformer für die thermische Durchflussmessung für die jeweils zu messenden Medien, insbesondere Gase spezifische zu kalibrieren. Falls sich die Gaszusammensetzung nach einer Kalibrierung ändert, ist entweder eine Neukalibrierung erforderlich, oder es sind zusätzliche Sensoren erforderlich, um die thermischen Gaseigenschaften, welche die Durchflussmessung beeinflussen können, zu ermitteln.The thermal flow measurement is established as a reliable measurement method, but it is necessary to calibrate the transmitters for the thermal flow measurement for the respective media to be measured, in particular gases specific. If the gas composition changes after calibration, either a recalibration is required or additional sensors are required to determine the thermal gas properties that may affect the flow measurement.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Bestimmen des Masseduchflusses eines Mediums bereitzustellen, wobei die thermischen Eigenschaften des Mediums bzw. sich verändernde thermische Eigenschaften eines Mediums ohne zusätzliche Sensorik ermittelt werden können.It is therefore the object of the present invention to provide a method and a device for thermally determining the mass flow of a medium, wherein the thermal properties of the medium or changing thermal properties of a medium can be determined without additional sensors.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß Gelöst durch das Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und die Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 11.The object is achieved by the method according to the
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen des Massedurchflusses eines Mediums in einer Leitung umfasst:
- – Betreiben einer modulierten Wärmequelle im thermischen Kontakt mit dem Medium;
- – Erfassen des Verlaufs mindestens eines ersten Temperatursignals von mindestens einem ersten Temperatursensor im thermischen Kontakt mit dem Medium, welcher bezogen auf die Strömungsrichtung des Mediums oberhalb der Wärmequelle positioniert ist;
- – Erfassen des Verlaufs mindestens eines zweiten Temperatursignals von mindestens einem zweiten Temperatursensor im thermischen Kontakt mit dem Medium, welcher bezogen auf die Strömungsrichtung des Mediums unterhalb der Wärmequelle positioniert ist;
- – Bestimmen einer Phasendifferenz zwischen dem ersten Temperatursignal und dem zweiten Temperatursignal sowie der Amplitude des ersten Temperatursignals und der Amplitude des zweiten Temperatursignals;
- – Bestimmen eines Werts einer thermischen Eigenschaft des Mediums anhand der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Temperatursignal; und
- – Bestimmen eines Werts des Durchflusses des Mediums anhand der Amplituden des ersten und des zweiten Temperatursignals unter Berücksichtigung des Werts der thermischen Eigenschaft des Mediums.
- - Operating a modulated heat source in thermal contact with the medium;
- Detecting the course of at least one first temperature signal from at least one first temperature sensor in thermal contact with the medium, which is positioned above the heat source with respect to the flow direction of the medium;
- Detecting the course of at least one second temperature signal from at least one second temperature sensor in thermal contact with the medium, which is positioned below the heat source with respect to the flow direction of the medium;
- Determining a phase difference between the first temperature signal and the second temperature signal and the amplitude of the first temperature signal and the amplitude of the second temperature signal;
- - determining a value of a thermal property of the medium based on the phase difference between the first and the second temperature signal; and
- - Determining a value of the flow of the medium based on the amplitudes of the first and the second temperature signal taking into account the value of the thermal property of the medium.
Das Medium kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein, wobei das Haupteinsatzgebiet der Erfindung derzeit bei Gasen gesehen wird.The medium may be a gas or a liquid, the main field of use of the invention currently being seen with gases.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Wärmequelle ein Heizelement, insbesondere ein Widerstandsheizelement.In a development of the invention, the heat source comprises a heating element, in particular a resistance heating element.
Die thermische Eigenschaft des Mediums kann erfindungsgemäß insbesondere von der Wärmeleitfähigkeit, den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen dem Medium und den Temperatursensoren bzw. der Wärmequelle, der Wärmekapazität und/oder der Temperaturleitfähigkeit des Mediums abhängt.According to the invention, the thermal property of the medium can depend, in particular, on the thermal conductivity, the heat transfer coefficient between the medium and the temperature sensors or the heat source, the heat capacity and / or the thermal conductivity of the medium.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung geht in die Bestimmung des Durchflusses weiterhin die Heizleistung ein.According to one embodiment of the invention continues in the determination of the flow rate, the heating power.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Verfahren weiter: Überprüfen der Validität des anhand der Phasendifferenz bestimmten Werts der thermischen Eigenschaft des Mediums anhand des ermittelten Durchflusses.According to a development of the invention, the method further comprises: checking the validity of the value determined by the phase difference of the thermal property of the medium based on the determined flow.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Verfahren weiter: Korrigieren des anhand der Phasendifferenz bestimmten Werts der thermischen Eigenschaft des Mediums anhand des bestimmten Durchflusses; und Bestimmen eines korrigierten Durchflusses des Mediums anhand der Amplituden des ersten und des zweiten Temperatursignals unter Berücksichtigung des korrigierten Werts der thermischen Eigenschaft des Mediums.According to a development of the invention, the method further comprises: correcting the value of the thermal property of the medium determined on the basis of the phase difference on the basis of the determined flow; and determining a corrected flow of the medium based on the amplitudes of the first and the second temperature signal taking into account the corrected value of the thermal property of the medium.
Gegebenenfalls kann wiederholt anhand des korrigierten Durchflusses eine erneute Korrektur des Werts der thermischen Eigenschaften erfolgen, und damit wieder eine neue Bestimmung eines korrigierten Durchflusses durchgeführt werden, bis die Folge der korrigierten Durchflussmesswerte bzw. die Folge der korrigierten Werte der thermischen Eigenschaften konvergiert.If necessary, a repeated correction of the value of the thermal properties can be carried out repeatedly on the basis of the corrected flow, and thus again a new determination of a corrected flow can be carried out until the sequence of the corrected flow measured values or the sequence of the corrected values of the thermal properties converges.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird anhand der Phasendifferenz bzw. des Werts der thermischen Eigenschaft ein Wert eines Mischungsverhältnisses eines gemischten Mediums bestimmt und signalisiert. Gemäß einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung der Erfindung wird der Wert des Mischungsverhältnisses in der Weise signalisiert wird, dass ein Alarm ausgegeben wird, wenn der Wert von einem Sollwert um mehr als einen Toleranzwert abweicht, und/oder dass der Wert als Zahlenwert ausgegeben wird.According to one embodiment of the invention, based on the phase difference or the value of the thermal property, a value of a mixing ratio of a mixed medium is determined and signaled. According to one embodiment of this development of the invention, the value of the mixing ratio is signaled in such a way that an alarm is issued when the value of a setpoint by more than a tolerance value deviates, and / or that the value is output as a numerical value.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Bestimmung des Massedurchflusses anhand eines Teilstroms des Mediums in einer Bypass-Leitung, welche parallel zu einer Leitung verläuft in welcher der um den Teilstrom verminderte Massedurchfluss des Mediums verläuft, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des Teilstroms in der Bypass-Leitung niedriger ist als die Strömungsgeschwindigkeit in der Hauptleitung.According to one embodiment of the invention, the determination of the mass flow on the basis of a partial flow of the medium in a bypass line, which runs parallel to a line in which the reduced mass flow of the medium through the partial flow of the medium, wherein the flow rate of the partial flow in the bypass line is lower is as the flow rate in the main line.
Der erfindungsgemäße Messumformer zum Bestimmen des Massedurchflusses eines Mediums durch eine Leitung, insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst:
- – eine Wärmequelle im thermischen Kontakt mit einem von der Leitung umschlossenen Volumen;
- – mindestens einen ersten Temperatursensor im thermischen Kontakt mit dem von der Leitung umschlossenen Volumen, wobei der erste Temperatursensor bezogen auf eine Strömungsrichtung des Mediums oberhalb der Wärmequelle positioniert ist;
- – mindestens einen zweiten Temperatursensor im thermischen Kontakt mit dem von der Leitung umschlossenen Volumen, wobei der zweite Temperatursensor bezogen auf die Strömungsrichtung des Mediums unterhalb der Wärmequelle positioniert ist;
- – eine Schaltung zum Betreiben der Wärmequelle und der Temperatursensoren; und
- – eine Auswertungsschaltung zum Erfassen mindestens des ersten und des zweiten Temperatursignals,
- A heat source in thermal contact with a volume enclosed by the conduit;
- - At least a first temperature sensor in thermal contact with the volume enclosed by the conduit, wherein the first temperature sensor is positioned relative to a flow direction of the medium above the heat source;
- - At least a second temperature sensor in thermal contact with the volume enclosed by the conduit, wherein the second temperature sensor is positioned with respect to the flow direction of the medium below the heat source;
- A circuit for operating the heat source and the temperature sensors; and
- An evaluation circuit for detecting at least the first and second temperature signals,
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Auswertungseinheit eine Datenverarbeitungseinheit, insbesondere einen Mikroprozessor.According to one embodiment of the invention, the evaluation unit comprises a data processing unit, in particular a microprocessor.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Wärmequelle ein Widerstandsheizelement.According to one embodiment of the invention, the heat source comprises a resistance heating element.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die Wärmequelle und die Temperatursensoren in ein Bauelement integriert.According to one embodiment of the invention, the heat source and the temperature sensors are integrated into one component.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Abstand zwischen dem ersten Temperatursensor und der Wärmequelle größer als der Abstand zwischen dem zweiten Temperatursensor und der Wärmequelle.According to one embodiment of the invention, the distance between the first temperature sensor and the heat source is greater than the distance between the second temperature sensor and the heat source.
Der erste und der zweite Temperatursensor sowie die Wärmequelle können beispielsweise Metallschichten umfassen, welche mittels photolithographischer Methoden auf einem Träger, insbesondere einem Membranträger präpariert sind.The first and the second temperature sensor and the heat source may comprise, for example, metal layers which are prepared by means of photolithographic methods on a support, in particular a membrane support.
In einer Weiterbildung der der Erfindung sind bezogen auf die Strömungsrichtung des Mediums oberhalb des Heizers und/oder unterhalb des Heizers jeweils zwei Temperatursensoren mit unterschiedlichem Abstand zum Heizer angeordnet.In a development of the invention, two temperature sensors with different distances from the heater are arranged relative to the flow direction of the medium above the heater and / or below the heater.
Die Erfindung wird nun anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:The invention will now be explained with reference to the embodiment shown in the drawings. It shows:
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem Einsatz einer Sensorbaugruppe wie sie in
Die Spitzenheizleistung des Heizers beträgt mindestens 3 mW, wobei der Abstand des oberhalb angeordneten Temperatursensors zum Heizer mindestens 400 μm beträgt, und der Abstand des unterhalb angeordneten Temperatursensors zum Heizer zwischen 1000 μm und 250 μm beträgt.The peak heating power of the heater is at least 3 mW, wherein the distance of the above-arranged temperature sensor to the heater is at least 400 microns, and the distance of the temperature sensor arranged below the heater is between 1000 .mu.m and 250 .mu.m.
Anhand von
Der Ansatz zur erfindungsgemäßen Lösung dieses Problems ergibt sich aus den
Insoweit als die Phasendifferenz hier bis beispielsweise etwa 800 sccm nur eine schwache Durchflussratenabhängigkeit aufweist, kann anhand der beobachteten Phasendifferenz über den in
In einer Weiterbildung der Erfindung kann nun anhand der ermittelten Durchflussrate, und eines Modells für den Zusammenhang zwischen der Phasendifferenz und der Durchflussrate eines Mediums auf die Phasendifferenz bei Standardbedingungen, beispielsweise bei einer Durchflussrate des Mediums von Null zurückgerechnet werden. Mit dieser Phasendifferenz bei Standardbedingungen kann dann eine korrigierte Wärmeleitfähigkeit des Mediums gemäß
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R082 | Change of representative |
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Representative=s name: KRATT-STUBENRAUCH, KAI, DR., DE |
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